温成形对热轧Q345R钢制封头性能的影响

敬仕煜，何小明，王云林，尹 锋，谢逍原，袁梦苓

(东方电气集团 东方锅炉股份有限公司 机械工业高温高压材料与焊接重点实验室，四川自贡 643001)

0 引言

锅炉和压力容器封头可采用热成形、温成形和冷成形三种工艺制造。其中，采用热成形工艺最为普遍，近年来冷成形工艺也迅速发展[1]。热成形适应钢种广、成形美观、缺欠少，但经常需要进行恢复性能热处理，工序复杂、成本高；冷成形效率高、成本低，材料变形抗力大，主要适用于薄板，但容易产生缺欠[2]。三种成形工艺中，温成形应用极少，相关研究还处于起步或散点性探索阶段。文献[3-4]基于有限元软件模拟，温压成形的核电AP1000钢制安全壳封头瓣片几何精度良好；文献[5]研究了温成形对12Cr2Mo1R钢性能的影响，建议对温成形厚壁封头增加中间热处理，以消除成形后的残余应力。

开发温成形技术的主要意义是部分替代热成形，并尽可能豁免专门的中间热处理，降低封头制造成本。以Q345R为代表的热轧交货态钢板热成形后，经常发生性能偏低问题，这主要与高温下钢板原有的轧制强化作用消失，以及钢板本身的强化元素配比较低有关[6-7]。作为工程对策，温成形的加热温度远低于热成形，可望阻止热轧钢板性能降低，并使钢板在服役寿命周期内始终保持原有的轧制强化作用。但温成形的成形温度较低，金属的流动性较差，钢板不同部位产生的应力、应变和金属流动状态将更加复杂，导致封头不同区域的力学性能发生变化。本文研究热轧Q345R钢板温冲压封头的力学性能，探讨和分析其强度变化原因，为制订温成形工艺提供技术支撑，并为其他钢种的相关研究提供参考。

1 试验方法

1.1 原材料钢板

试验采用δ16 mm和δ36 mm热轧Q345R钢板各一张，符合GB/T 713—2014《锅炉和压力容器用钢板》，其化学成分如表1所示，力学性能如表2所示。与要求值相比，试验钢板的强度裕量较小。

表1 试验钢板的化学成分

表2 试验钢板的力学性能

1.2 封头与试样制备

(1)封头制备。

图1 A580-16封头外观和取样示意

δ16 mm和δ36 mm钢板温冲压成形标准椭圆形封头各一个，内径基准尺寸Di=1 600 mm。δ16 mm钢板加热温度580 ℃，保温40 min，一次冲压成形;δ36 mm钢板加热温度600 ℃，保温90 min，两次冲压成形，中间30 min补热。成形后空冷、切边、喷砂处理，编号分别为A580-16,B600-36，温成形封头成形良好，表面氧化轻微，外观形貌分别如图1，2所示。

图2 B600-36封头外观和取样示意

(2)试板和状态。

如图1，2所示，沿封头直径方向切割腰带状试板，从中部分为两半，一半成形态，另一半按图3进行退火热处理，以模拟产品完工后的消除应力热处理。

图3 退火热处理参数

(3)试样制备。

将两种状态试板分割成小试板，小试板依次对应封头中部R区、R和r过渡区、r区、边缘直段区。A580-16封头：成形态编号A1～A4，退火态编号A5～A8。B600-36封头：成形态编号B1～B4，退火态编号B5～B8。每一成形态小试板各取3个拉伸试样和1组冲击试样；每一退火态小试板各取2个拉伸试样和1组冲击试样。拉伸试样为∅10 mm圆棒标准试样，冲击试样为10 mm×10 mm×55 mm夏比V型标准试样。

1.3 试验方法和设备

拉伸试验按GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》进行，试验机型号C45.305。冲击试验按GB/T 229—2007《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》进行，试验温度0 ℃，试验机型号RKP450。

2 试验结果

封头尺寸满足GB/T 25198—2010《压力容器封头》要求，壁厚和内直径检查结果见表3。壁厚减薄主要发生在中心R区域，r区域略有增厚，边缘直段部位迅速增厚。壁厚变化反映了钢板成形过程中的受力状态，中心R区域(包括部分r区域)主要受到拉弯载荷，边缘直段区域主要受到周向胀压载荷，这些特征与下文所述的形变强化相对应。

图4,5示出580,600 ℃温成形Q345R封头各典型位置的力学性能，图中水平虚线代表原材料钢板数据(见表2)；图中央对应封头中部R区，向两侧指向边缘直段方向；图左侧为封头成形态试验结果(包含A1～A4，B1～B4试样)；图右侧为封头退火态试验结果(包含A5～A8，B5～B8试样)。

表3 温成形封头的尺寸检查结果

(a)屈服强度、抗拉强度

(b)断后伸长率

(c)0 ℃冲击吸收能量

(a)屈服强度、抗拉强度

(b)断后伸长率

(c)0 ℃冲击吸收能量

3 分析与讨论

3.1 温成形封头各典型位置的力学性能

由图4(a)左侧可知，与原材料钢板相比，A580-16封头(580 ℃成形态)的屈服强度整体提高。沿封头直径方向的各典型位置，屈服强度的变化趋势呈“碟”形，中心至r部位“碟底”平坦区域(A1～A3)，提高幅度大体相当，“碟边”直段部位(A4)提高明显。抗拉强度的变化趋势与屈服强度基本一致，但提高幅度低于屈服强度。各位置强度变化表明，钢板在成形过程中产生了形变强化，强度提高幅度与变形量大小正相关，符合冷作硬化规律。

图4(a)右侧为退火态封头的强度变化。615 ℃退火热处理后，封头强度整体下降，成形强化越明显的区域，相应下降幅度也越大，封头沿直径方向的强度变化趋势仍呈“碟”形。与原材料钢板对比，退火态封头的“碟底”区域的屈服强度更低一些，“碟边”直段部位仍略高。可以认为，经615 ℃退火热处理后，封头成形获得的强化几乎全部消失。

由图4(b)可知，成形态封头变形量较大的边缘直段区域，断后伸长率明显下降，退火后基本恢复。由图4(c)可知，封头的冲击韧性有所降低，但富裕量仍很大，远高于GB/T 713—2014中“0 ℃不低于41 J”的要求。

图5与图4基本相似，B600-36封头600 ℃温成形后，沿直径方向的强度变化仍然呈“碟”形。但是，600 ℃成形产生的强化效果明显减弱，“碟底”区域甚至未获强化(屈服强度)，这与成形温度较高、两次冲压保温时间延长、总变形量被分摊等有关。615 ℃退火后，“碟底”区域强度下降，逼近GB/T 713—2014规定的合格线。从图5(c)还可以看出，B600-36封头退火前后的冲击韧性均高于原材料钢板，这是成形温度较高导致材料塑性增加的结果。

试验表明，温成形主要影响热轧Q345R钢制封头的强度，对塑性和韧性影响不大。沿封头直径方向，强度变化呈“碟”形(中间低、边缘直段高)。应格外关注“碟底”区域的强度降低问题，较低的成形温度可能更加有利。

需要补充说明的是，降低成形温度会导致封头边缘直段区域显著强化，产生残余应力。对10%冷变形钢板进行了焊接试验，未发现其对材料焊接性产生不良影响。考虑Q345R具有极佳的焊接性能，对再热裂纹不敏感，封头温成形后可不进行专门的中间热处理。

3.2 封头强度变化原因分析和探讨

通过轧制实现材料强化、减少合金添加以降低成本，已成为中厚板制造行业的重要技术手段[8-11]。文献[12]解释了Q345R钢的两相区轧制(常见控轧技术之一)强化机理，认为轧制使尚未相变的奥氏体和已经相变生成的铁素体产生不同程度的变形，在轧后的冷却过程中，前者相变形成多边形铁素体，后者成为含有亚结构的铁素体晶粒，这两种组织都将提高钢的强韧性。与正火态钢板相比，轧制强化特别是与屈服强度密切关联的铁素体位错亚结构强化的稳定性较差，再次加热到某一临界温度时，将出现位错湮灭和变形晶粒回复现象，表现为强度特别是屈服强度下降，这给钢板的后期热加工带来了挑战。

文献[6]的研究表明，热轧Q345R钢板经正火冲压成形后，强度回归至仅与化学成分相关的基础强度值(等效于同样成分的正火态钢板的强度)附近，与经验公式的预测结果非常吻合。本文按同一经验公式，对表1实测成分进行计算，反推出试验钢板的基础强度值。

温成形封头的强度可由下式表示：

S=S0+ΔS轧+ΔS成形+ΔS退火

(1)

U=U0+ΔU轧+ΔU成形+ΔU退火

(2)

式中,S,U为封头退火后的屈服强度和抗拉强度，MPa；S0,U0为仅与化学成分相关的基础屈服强度和抗拉强度，MPa；ΔS轧,ΔU轧为钢板制造过程产生的轧制强化的强度变化量，MPa；ΔS成形,ΔU成形为封头成形过程的形变强化的强度变化量，包含加热对原材料钢板强度产生的影响，MPa；ΔS退火,ΔU退火为封头退火热处理产生的软化的强度变化量，MPa。

根据式(1)(2)，原材料钢板的屈服强度、抗拉强度可表示为S0+ΔS轧,U0+ΔU轧；封头成形后(退火前)的屈服强度、抗拉强度可表示为S0+ΔS轧+ΔS成形,U0+ΔU轧+ΔU成形。

将计算的基础强度值、图4,5中强度数据进行简单处理，得到试验的温成形封头在制造历程中的强度变化,如表4所示。

表4 热轧Q345R温成形封头的强度构成

从表4并结合前文分析可以看出：(1)试验钢板的基础强度(S0,U0)偏低，热轧产生的强化弥补了不足;交货态钢板的强度(S0+ΔS轧，U0+ΔU轧)中，轧制强化(ΔS轧，ΔU轧)对于屈服强度的贡献约20%，对于抗拉强度的贡献约10%，这与文献[6]研究结果大体一致;假如对钢板重新正火(空冷)，强度可能降低至GB/T 713—2014要求的合格线之下；(2)温成形过程中，钢板原有轧制强化因受热而消耗，形变又会产生新的强化，二者协同作用；A580-16强化较为明显，而B600-36几乎未强化，成形温度是控制强度变化的关键；(3)退火后，A580-16的强度下降值(ΔS退火,ΔU退火)略大于成形强化值(ΔS成形,ΔU成形)，而B600-36则大致相抵，表明退火热处理过程中，成形强化会优先消失,这应是退火温度介于成形温度和钢板终轧温度之间的缘故，较高温度产生的轧制强化容易留存，而较低温度获得的成形强化会优先消耗。

4 结论

(1)热轧Q345R钢板温成形后，沿封头直径方向的强度变化呈“碟”形(中间区域低、边缘直段区域高)。退火热处理后，封头各典型位置的强度整体下降，成形强化明显的区域的强度下降相应更多，分布呈浅“碟”形。

(2)Q345R温成形封头的强度是钢板基础强度、轧制强化、成形强化和退火弱化共同作用的结果。